机械臂进入与人类共存的环境中工作是未来的发展趋势,对于在人机环境中工作的机械臂,安全性是最为关键的问题。由于气体的压缩性,气驱动器天然具有被动柔顺性,由气驱动器驱动的气动机械臂相对于传统电机驱动的机械臂具有较高功率-质量比、良好的反驱动性和柔顺性等特点,具有本质安全的特性,因而有潜力应用于对于机械臂安全性要求较高而对机械臂的快速性、准确性要求较低的场合中。因此,本文设计了一种碰撞安全的气动机械臂。首先,在综合对比各类气驱动器性能参数的基础上,按照轻型化、小型化、模块化的设计思想,选用小型滚动薄膜气缸作为气驱动器,设计了由一组相互拮抗的滚动薄膜气缸驱动的轻型气动机械臂旋转关节模块,计算了关节模块的性能参数,并据此设计了具有四自由度的气动机械臂。其次,对气动机械臂关节位置伺服控制系统进行研究。针对机械臂关节气动系统的各个组成部分分别建立滚动薄膜气缸摩擦力及粘滞力模型、动力学模型、热力学模型,以及比例换向阀的质量流动模型,根据模型得到关节气动系统的状态空间表示。针对气动系统复杂、非线性的特点,利用反步法设计了基于滑模控制的机械臂关节位置伺服控制系统。而后,对机械臂进行运动学分析,设计了气动机械臂的柔顺控制系统。采用机械柔顺控制方法建立关节气驱动器压力与关节柔顺度的关系,结合关节位置伺服控制系统的滑模控制器,在对气动机械臂进行位置控制的同时,对气动机械臂进行柔顺控制。此外,为了增加机械臂整体安全性,对关节进行碰撞实验,分析碰撞过程中关节驱动器内压力变化,设计了一种利用关节驱动器压力差进行碰撞判断的碰撞安全控制,在检测到碰撞发生后迅速减小驱动器压力,使机械臂停止运动,降低关节刚性,以避免后续可能造成的伤害。最后,对气动机械臂控制系统进行设计,将控制系统的软件、硬件按照功能分为多个模块,各模块之间相对独立,协同工作。搭建了气动机械臂控制系统硬件平台,并利用Microsoft Visual Studio C#编写了基于Windows窗体应用的控制软件。基于样机平台分别进行了关节控制性能实验和机械臂控制性能的实验,通过位置转换实验、轨迹跟踪实验、碰撞检测实验测试了关节位置伺服控制系统的运动控制性能和安全性能,通过整机动作实验测试了气动机械臂的重复定位精度和整体安全性能。验证了气动机械臂设计与控制的有效性。